Robot Submarino

Ciencia Ahora, nº 24, año 12, julio a diciembre 2009

SEAPERCH: UN SUBMARINO SIMPLE A CONTROL REMOTO Víctor Alarcón Martínez, Karina Karina Escobar Muñoz, Matías Guzmán Guzmán Muñoz, Carlos Herrera Ramírez, Andrés Sepúlveda *

Departamento de Geofísica, Universidad de Concepción *

Correo electrónico: [email protected]

Resumen

La idea de construir un robot submarino simple a control remoto, fue propuesta como tema a desarrollar dentro del curso de primer año, Introducción a la Geofísica, de la Universidad de Concepción. Este tema abarca muchos aspectos que lo hacen ideal para la docencia e investigación Física, Ingeniería, y Oceanografía. El robot es una ligera modificación del proyecto SeaPerch iniciado en el 2003 por el Instituto Tecnológico de Massachussets (MIT), en EUA. Con un costo aproximado de 60 mil pesos, su construcción y diseño permite que sea fácil de armar y utilizar. Este artículo describe varios aspectos de la construcción del SeaPerch, principalmente las adaptaciones que hubo que hacer al diseño original y explica por qué esta actividad es una buena forma de motivar a los estudiantes a profundizar en el área de ciencia básica y la robótica. Se comenta, además, como este submarino puede ser ocupado en diversas actividades, desde mediciones simples bajo el agua, hasta competencias de destreza y movimiento. Como material anexo se incluye enlaces a videos y a un manual en español para armar el SeaPerch, con instrucciones detalladas y fáciles de seguir. Introducción

Muchas veces se ha planteado la interrogante sobre cómo iniciar a los estudiantes en la práctica de la ciencia y la investigación de manera fácil y poco costosa. La construcción de un robot submarino puede ser una forma de lograr esto. Hay un sinnúmero de aparatos que exploran este mundo submarino, pero muchos de estos proyectos son a gran escala, de alto costo, y cuya implementación en la práctica es difícil. Entonces: ¿Qué queda para el mundo escolar, especialmente el que todavía no ha ingresado a la educación superior, y que se interesa por estos proyectos de ingeniería y diseño físico, y que no puede hacerlos por falta de oportunidades y recursos? El robot submarino SeaPerch es la solución para estos problemas. El objetivo principal de este artículo es entonces describir el proyecto de la construcción y algunas consideraciones prácticas que pueden facilitar su desarrollo. La descripción más detallada de su construcción está disponible en un manual anexo, dada su extensión. El proyecto SeaPerch fue creado el el 2003 por el MIT dentro del programa universitario Sea Grant, un programa educacional análogo a lo que podría ser un proyecto EXPLORA del área

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de ciencias del mar. Este innovador programa buscaba introducir a los estudiantes al mundo de la robótica submarina. SeaPerch formaba a docentes, que a su vez forman a sus estudiantes para construir un vehículo teledirigido, cuya construcción y diseño ofrece a los alumnos la oportunidad de aprender acerca de la robótica, Física, Ingeniería, y Oceanografía. A lo largo del proyecto, los estudiantes aprenden conceptos de ingeniería, ciencia, la resolución de problemas, trabajo en equipo, técnicas y aplicaciones, así como tener la oportunidad de participar en diversos concursos de diseño o manejo del robot submarino. El programa SeaPerch está ahora en más de 200 escuelas de los EUA, y se está expandiendo internacionalmente con iniciativas en Chipre y Francia. La idea consistía en construir un robot submarino usando tubería de PVC y otros materiales de bajo costo y fáciles de encontrar. Su principal objetivo es lograr su implementación en las escuelas, para que los niños y jóvenes puedan aprender acerca de las ciencias. Un buen indicador de su éxito es que los profesores involucrados han seguido usando este proyecto en sus aulas de clase, años después de haber participado en la capacitación inicial.

Figura 1: Submarino diseñado por el programa SeaPerch Más que detallar aquí los componentes del SeaPerch, recomendamos a los interesados revisar la sección de Enlaces al final de este artículo para conocer las características de este equipo. El texto de estos sitios web está en inglés, pero los videos, pese a la barrera del idioma, son bastante claros en las dimensiones y capacidades del SeaPerch. El SeaPerch de la Universidad de Concepción: La realización de nuestro proyecto consistió básicamente en adaptar el SeaPerch a los materiales existentes en Chile, y evaluar la factibilidad y costo local. Queríamos también impulsar en el ámbito educacional un interés por crear e innovar en proyectos como éste, aportando a través de la traducción y adaptación del manual de la construcción del SeaPerch al español. Este artículo pretende que, a través del manual que se ha desarrollado, hacer extensiva la idea del robot submarino SeaPerch a las instituciones educativas para que sus alumnos incrementen sus capacidades de diseño e ingenio en la construcción del vehículo.

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En EUA, donde el programa SeaPerch lleva varios años, se hacen concursos de maniobras principalmente en piscinas, donde los participantes compiten por diversos premios que incentivan el aprendizaje y la innovación en las escuelas, y en los propios participantes, lo que fomenta el interés en las ciencias en general, ya que se aprende “jugando”, y de manera dinámica, haciendo de los concursos una manera de evolucionar el programa para mejor en muchos aspectos. Es nuestra impresión que esto se puede desarrollar en el sistema escolar de Chile. Descripción del SeaPerch

El submarino consiste básicamente de un armazón hecho de tubos de PVC con agujeros al cual, para que no se hunda, se le colocan dos boyas, cuyo tamaño puede ajustarse de acuerdo al peso y tamaño del vehículo, de modo que la flotabilidad positiva que tienen genere una fuerza mayor o igual al peso que tiene el total del aparato (Fig. 1). El vehículo posee tres motores, dos para controlar el movimiento horizontal y uno para el impulso vertical. Estos motores están conectados a un control remoto de 10 m de largo y son alimentados a través de este cable mediante una batería de 12 V. En nuestro diseño, los tres motores funcionan en un solo sentido (al contrario del esquema presentado en el submarino original de SeaPerch, donde funcionan en los dos sentidos), debido a la escasa disponibilidad de componentes electrónicos mencionados en el manual original. El motor vertical girará para impulsar al submarino hacia abajo, de manera que cuando se lo desactive, la flotabilidad positiva de las boyas hará que el submarino suba. En este diseño el vehículo no podrá retroceder, sino solo avanzar. A través de los dos motores horizontales, el submarino podrá girar a los dos lados, desconectando un motor y dejando el otro funcionando, de manera alternada, con lo que se podría girar el SeaPerch hasta que quede apuntando en la dirección opuesta. El SeaPerch posee también una malla que está instalada en la parte inferior del vehículo, y que puede tener usos múltiples. Uno de ellos es servir como base para instalar instrumentos de medición como termómetros, cámaras submarinas, medidores de variables oceánicas como la presión o salinidad. La instalación de estos instrumentos sería parte de otro trabajo, aunque cabe destacar que el cable que conecta los motores con el control remoto tiene cuatro conectores, tres de los cuales son usados por los motores. El cuarto conector podría ser usado para recibir en tiempo real la información de un sensor o instrumento que este situado en la malla, como puede ser un sensor de temperatura, una cámara de video, o un sensor acústico. Recomendaciones para la construcción Lugar de trabajo: Se necesita de una mesa del tamaño de un escritorio convencional y una toma de corriente eléctrica en la mesa o cerca de ella. Sería ideal trabajar en un aula o laboratorio, pero con las ventanas abiertas, para que el olor a pegamento usado no dañe la salud de los alumnos.

También es útil contar con un lugar especial para la perforación y para las operaciones que probablemente dañarán el material inmobiliario donde se trabajará. Generalmente la mesa se

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cubre con plástico o nylon para que no se manche, y por último es necesario un lavatorio para poder enjuagar los utensilios y herramientas que se utilizaron, lotes de toalla de papel y algunos botes de basura. Prueba del Vehículo: Una vez que se termine de construir el prototipo, se recomienda poner a prueba el vehículo en la sala donde se está construyendo. Un tarro de basura con agua puede servir para ello. Una vez que se ha comprobado el correcto funcionamiento en el laboratorio o aula, sería apropiado tener al alcance una gran masa de agua para probar el funcionamiento del vehículo, por ejemplo una piscina o un estanque. Costos y financiación: Conocemos los desafíos que enfrentan los profesores y las escuelas en la búsqueda de fondos para llevar a cabo con sus estudiantes este tipo de proyectos. El SeaPerch fue diseñado con esta consideración en mente. En nuestro caso, el costo final del proyecto fue de $60.000, aproximadamente. El robot en sí costó alrededor de $45.000. La batería y el recargador que pueden ser utilizados para múltiples submarinos, cuestan alrededor de $15.000. Se hizo todo lo posible para encontrar lo más barato y más accesible en cuanto a las partes de todo el vehículo. Estos costos podrían ser menores consiguiendo donaciones de algunos de los elementos o comprando al mayoreo. En su diseño, se buscó que cada componente del submarino fuera fácil de encontrar y fácil de sustituir. Este proyecto permite a los estudiantes ser creativos y les impone el desafío de adaptar el diseño del aparato a sus condiciones particulares. Problemas de construcción

Si se compara la estructura y funcionamiento del submarino construido en este trabajo, y el submarino original SeaPerch, se verán algunas diferencias. Esto no es porque se quiso seguir un esquema alternativo, sino que muchos de los materiales que aparecen en el diseño original, de EUA, no fueron encontrados en su momento. Algunos materiales fueron reemplazados; los flotadores originales se compran en tiendas especializadas en el rubro, las cuales no fue posible encontrar en esta ocasión. Por consiguiente, en este trabajo se utilizaron para suplir esta deficiencia, boyas de embarcaciones del puerto de Talcahuano, que se cortaron y adecuaron con sierra y cuchillo caliente, de modo que calcen con el tamaño del submarino. Los motores eléctricos no son del tamaño propuesto, sino que son más grandes. Por ello, no se pudieron insertar en los envases de rollos fotográficos para su impermeabilización, la cual era la idea original del manual. Se tuvo que disponer de un sistema de goteo comprado en una droguería para que pudieran caber ahí, y con ése molde se pudieron impermeabilizar con resina. Debido a esto, también se tuvieron que crear abrazaderas especiales para el tamaño de los motores (proceso que se detalla en el manual de construcción). El circuito tuvo muchas variaciones con respecto al original, ya que en el circuito original se contemplaban dos pulsadores con tres entradas para cables y dos interruptores con 6 entradas. El tipo de pulsador requerido no lo encontramos en tienda alguna, por lo que se procedió a usar interruptores con dos entradas y dos posiciones (3 interruptores en total), de manera que los motores girarán en un solo sentido, a diferencia del circuito original, donde éstos giran en

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los dos sentidos, por lo que la flotabilidad del vehículo fue usada para darle el movimiento ascendente al vehículo, como se detallo anteriormente. Las hélices ideales para el vehículo no se encontraron ni en tiendas de maquetas, ni en jugueterías, por lo que se pensó en un modelo alternativo de hélices tipo helicóptero que tenían sus aspas con el ángulo para que pudieran desplazarse en el aire, lo que sirve además para desplazarse en el agua, por lo que se utilizaron en este modelo. Conceptos de ciencia aplicados

La creación de vehículos operados remotamente, especialmente los que funcionarán en el aire o el agua, necesitan una cuota de diseño y conocimiento de diversos conceptos de Física. A continuación mencionamos algunos de ellos, más claramente esta lista no es extensiva y puede ser modificada según el interés del docente a cargo, y el nivel de estudios de los alumnos. Flotabilidad: Se puede trabajar el concepto de flotabilidad durante la construcción del SeaPerch, tomando en cuenta que hay que contrarrestar el peso del los materiales con los flotadores que son parte de su diseño. Los estudiantes pueden hacer cálculos previos pesando el equipo en el aire y el agua, contrarrestando sus resultados. Es interesante discutir si se quiere que la flotabilidad del equipo sea neutra o positiva. Un beneficio de esta última alternativa es que en caso de falla del equipo propulsor, el SeaPerch subiría solo a la superficie. A un nivel más avanzado se podría incluir dentro del cálculo el peso de algún sensor o instrumento que sea incorporado. Circuitos Eléctricos: El diseño del SeaPerch comprende un circuito eléctrico que va desde el control remoto hasta los motores. Su construcción y diseño es una base excelente para discutir temas de corriente, voltaje, circuitos en serie y en paralelo. El circuito diseñado permite controlar de manera remota los tres motores del submarino, permitiendo al vehiculo realizar una maniobra libre bajo el agua. La energía la proporciona una fuente de poder que es en este caso una batería de 12 Volt y 7 Amperes por hora, lo que hace que el submarino funcione durante largo rato bajo el agua, además de componentes como un fusible de 10 Amperes para proteger el circuito de excesos de corriente.

Conclusión

Con la construcción del vehículo operado remotamente se ha podido incursionar en el mundo de la robótica, la Ingeniería, la Física y la Oceanografía. El poder construir este submarino y hacerlo funcionar de manera correcta bajo el agua, representa un logro para el constructor.

Este trabajo está diseñado para que se puedan aplicar los conceptos teóricos en la práctica y así poder aprender de manera interactiva, y motivar a los estudiantes a avanzar en la investigación de los recursos naturales y fenómenos físicos que se presentan en el Planeta Tierra.

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Como se mencionó, este artículo pretende que con el manual desarrollado, se haga extensiva la idea de construir un robot submarino tipo SeaPerch, para que los alumnos aprendan y apliquen el diseño y el ingenio en la construcción del vehículo. En nuestro caso, cuatro alumnos de primer año de la carrera de Geofísica lograron en un semestre, no solo construir un prototipo del SeaPerch, sino además traducir y adaptar un manual que permita a otros interesados realizar el mismo trabajo.

Uno de los principales escollos, sorteado con éxito por los estudiantes, fue adaptar la idea original a los materiales y condiciones disponibles localmente, mostrando de paso que es posible modificar y crear diseños alternativos al modelo inicial. Invitamos a aquellos docentes interesados en el desarrollo de este proyecto a contactarnos para compartir experiencias, coordinar esfuerzos y ojala algún día encontrarnos para competir con nuestros prototipos.

Enlaces 

Manual en Español

http://www.dgeo.udec.cl/~andres/ManualSeaPerch.doc 

Páginas Principales (en inglés)

http://seaperch.mit.edu/ http://seaperch.mit.edu/ 

Videos (en inglés)

http://www.seaperch.org/home/files/13/default.aspx https://seaperch.mit.edu/build_videos.php

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